鋁結(jié)構(gòu)裝配式穹頂屋面房體系的論述

　　1 裝配式穹頂房屋體系

　　1.1 裝配式穹頂房屋體系在日本的發(fā)展概述

　　裝配式房屋的研究與生產(chǎn)，國際上由來已久。尤其是日本，現(xiàn)在日本住宅有30%是快速裝配式住宅，其中約有四分之一是生產(chǎn)基地在海外的輸入住宅。日本著名的快速裝配式房屋的不動產(chǎn)巨商，比如，積水住宅、旭化成住宅等都是有幾十年經(jīng)驗的裝配式住宅的老手，他們的裝配式房屋可以覆蓋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)以及木結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)三大材的所有材料產(chǎn)品。

　　隨著地球綠色經(jīng)濟的崛起，現(xiàn)在社會有了新的環(huán)境的要求。由于傳統(tǒng)的三大材被常年酷用造成了資源不足，對環(huán)境的破壞甚為巨大，建筑業(yè)已經(jīng)成為綠色環(huán)境制造的眾矢之的。而自然界資源最多的鋁類的使用，特別是適合于裝配式房屋生產(chǎn)和運輸?shù)脑谳p質(zhì)高強耐火隔熱方面有絕對優(yōu)勢的纖維復(fù)合材料的使用，開始進入對三大材的代用階段。

　　以前，對于木穹頂屋面房體系，我們在日本于1998年12月16日取得了“小三角形集合體板塊制穹頂”的準(zhǔn)專利“實用新案”（登錄號3056964號）。開始了在日本本土的裝配式穹頂房屋的生產(chǎn)于銷售。當(dāng)時在鹿兒島地區(qū)使用這個實用新案，我們竣工了12棟木頭穹頂建筑，以價格便宜和施工簡單而大受歡迎。

　　我們的發(fā)明雖然在日本全國掀起了一股裝配式穹頂房熱，但是，在建筑申請中，我們遇到了麻煩。因為木穹頂房的材料均為木頭，不能滿足防火規(guī)范的要求，所以很多審查嚴(yán)格的地區(qū)不能給予項目的批準(zhǔn)。這使我們的木穹頂房屋全國推行計劃收到了嚴(yán)重阻礙，我們只能在農(nóng)村等偏僻地區(qū)推行這個項目。

　　1.2 鋁材、不銹鋼穹頂房屋發(fā)展的必然性

　　但是，之后有了轉(zhuǎn)機。2000年6月日本對建筑基準(zhǔn)法進行了修改，以前不能作為結(jié)構(gòu)材料的鋁材被允許在結(jié)構(gòu)材料中使用了。建筑物的結(jié)構(gòu)材料從此再也不僅是鋼鐵、水泥和木頭三大材了。從2000年后半期開始，以鋁材及不銹鋼為主要結(jié)構(gòu)的房屋開始被允許，而且這幾年來，日本國土交通部在告示第409、第410的“基本強度”、“結(jié)構(gòu)計算方法”等處，與一般鋼材同樣地也對鋁合金等做了規(guī)定，這樣，以鋁合金為建筑結(jié)構(gòu)主體房屋的研究就開始盛行起來，日本各地包括著名的筑波大學(xué)的生產(chǎn)技術(shù)研究所都開始了對鋁合金房屋的研究。

　　當(dāng)今，日本歐美等海外建筑中，木結(jié)構(gòu)房屋的數(shù)量很多，而無論采用怎樣的防火技術(shù)，木結(jié)構(gòu)房屋的火災(zāi)頻率還是完全高于地震和其他一些災(zāi)難，成為各國城市防災(zāi)最為頭痛的難題。而纖維及復(fù)合材料的先端研究的不斷突破，使得以耐火防火、輕質(zhì)高強的復(fù)合材料來代替木材等傳統(tǒng)建筑主材的做法將是未來建筑材料的主流。

　　我們也一樣對既已開發(fā)的裝配式木穹頂房屋找到了一個新的防火辦法和一條新生之路。即：使用和木材重量相近而強度更高、更能防火的屋面材料，從而發(fā)展為“鋁結(jié)構(gòu)裝配式穹頂屋面房體系”的構(gòu)想。這樣的話，因為不再會有防火申請上的阻礙，鋁結(jié)構(gòu)裝配式穹頂屋面房體系將會在日本再次掀起熱潮。另外，因為這次我們還要借助國際上房屋生產(chǎn)的手段來控制價格，準(zhǔn)備建筑房屋的材料及費用80%以上將取之于中國，所以，裝配式房子的價格將更加便宜，在市場上也將更具有競爭力。

　　2 穹頂式結(jié)構(gòu)房屋特性和發(fā)展前景分析

　　2.1 穹頂式結(jié)構(gòu)房屋技術(shù)原理

　　現(xiàn)階段我們的設(shè)計主要要依循日本建筑基準(zhǔn)法要求以及相關(guān)設(shè)計規(guī)范等參考書類來進行的。鋁制穹頂形狀屋面就像是用20張正三角形板圍成正20面體后、再將其12個頂點切掉而成的32面體作為基本形狀的。這非常像普通足球的形狀，構(gòu)成面為5角形和6角形的拼圖。而這些拼圖其實都不是平面，它們的中心其實是突起的，近似為5角錐體和6角錐體。這形成了我們的穹頂。穹頂屬于拱形構(gòu)造，就像中國古代的趙州橋的橋拱，無論受鉛直力還是水平力都只是軸力傳遞，不會形成彎矩，工作效率極好。所以無論對承重還是地震都有非常強的抵御能力，設(shè)計也非常簡單。另外，構(gòu)成穹頂構(gòu)造5角錐和6角錐的基本面，其實是兩種3角形鋁板，這就是結(jié)構(gòu)板了，無論造成的空間多大，不再需要其他梁或柱的構(gòu)造材料。這使得整體建筑物的構(gòu)造非常簡潔輕盈，視覺效果非常舒適，同時，耗材不僅非常之少，造價也非常低廉，還是再生可利用的資源，“百年之后”也無建筑物環(huán)境污染。

　　2.2 產(chǎn)品技術(shù)分析

　　目前我們在穹頂房屋的技術(shù)上，在國際上處于處于領(lǐng)先地步。對于大跨度大空間的解析，一般都必須要采取膜結(jié)構(gòu)的分析，但是使用小三角形集合體板塊，將大面積化為許多有限的小單元體，能使用非常簡潔的手法計算和設(shè)計，化難為易，這就是我們的特色。另外，在施工方面，對于大空間結(jié)構(gòu)，一般是梁網(wǎng)構(gòu)造，需要動用很多的腳手架，既不經(jīng)濟又很危險。而我們的構(gòu)造是裝配式的，可以全部在地面組裝拼接，然后起吊一次建成，既經(jīng)濟又安全，技術(shù)水平明顯優(yōu)越。在材料使用上，大膽直接使用結(jié)構(gòu)材料，大量地節(jié)約不必要的裝飾贅材。除了使用鋁合金外，我們還在開發(fā)世界最先端的碳素陶瓷（氧化鋁）復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)材料體系，追求結(jié)構(gòu)材料的輕質(zhì)高強耐火隔熱耐久。

　　2.3 產(chǎn)品新穎性和獨特性

　　在日本做裝配式穹頂式結(jié)構(gòu)的廠家并不太多。即使是外表相像的穹頂式房屋，其實結(jié)構(gòu)和我們完全不一樣。一般現(xiàn)代的做法是梁柱結(jié)構(gòu)，靠空間大梁的密布做出外形，然后在梁間布上非結(jié)構(gòu)的不傳力的板建成建筑物。這種做法不僅沒有充分利用穹頂拱形受力的良好效率的工作機制，而且耗材巨大，施工危險。而我們的鋁板式裝配結(jié)構(gòu)，既能充分體現(xiàn)穹頂拱形受力的良好效率的工作機制，又能經(jīng)濟節(jié)約，施工安全。而裝配式的模式可以在遠(yuǎn)途運輸上、跨國家地區(qū)的使用上更有優(yōu)勢。

　　2.4 主要用途和應(yīng)用范圍分析

　　鋁結(jié)構(gòu)裝配式穹頂屋面房體系目前主要用于住宅和特色商用店鋪以及一些景觀建筑。比如，民居、別墅、牧場、系列加油站、系列烤肉店、公園休息處、零售店、街角書店等。也可以用在合適工藝的工廠建筑以及一些特使領(lǐng)域的建筑中。比如，完全可以使用在這次的日本大地震、大海嘯以及核輻射等災(zāi)難后的難民生活支援中。

　　2.5 經(jīng)濟壽命和所處階段分析

　　鋁結(jié)構(gòu)裝配式穹頂屋面房體系研發(fā)生產(chǎn)及海外銷售，是一種和傳統(tǒng)房地產(chǎn)業(yè)互相依存的長期的工作。從大的方面上來說，人類社會將永遠(yuǎn)需要工業(yè)及民用建筑物的工程，永遠(yuǎn)需要房屋。但是就個例而言，就比如我們現(xiàn)在開發(fā)的裝配式鋁板穹頂房，因為鋁合金的耐腐及結(jié)構(gòu)的抗震機能，產(chǎn)品的壽命一般可達100年以上。而碳素陶瓷（氧化鋁）復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)材料板制成的穹頂房體系，因其卓越的輕質(zhì)高強耐火隔熱耐久性能，其壽命將可以超越數(shù)百年以上。

　　2.6 未來發(fā)展預(yù)測

　　據(jù)“REFORM”雜志社預(yù)測，2009年日本的民間舊房改造將有6兆2000億日元的規(guī)模，即4萬億元人民幣的市場。新建建筑市場規(guī)模如果是舊房改造的10分之1的話，也有4000億元的市場。那么就可以簡單地估算一下，裝配式房屋的市場，就算只占傳統(tǒng)不動產(chǎn)市場的四分之一的話，也會有1000億元的規(guī)模。加上舊房改造的話，至少也超過1500億元的規(guī)模。如果我們擴展到公用、景觀及工業(yè)用房上的話，其規(guī)?？隙ㄟ€要龐大得多了。估計約有5000億元以上的規(guī)模。而除日本之外的國際大范圍這塊如果能夠做好銷售，至少也能和日本的市場持平。比如中國在2003年也開始對裝配式住宅進行了研究。萬科不動產(chǎn)和日本的大成建設(shè)合作，準(zhǔn)備于2010年后，在預(yù)應(yīng)力混凝土裝配式住宅分野上有實際的作品。兩者相加就有1兆元規(guī)模以上的市場。另外我們可以跟多地開拓裝配式建筑的種類，爭取在國內(nèi)外獲得更大的市場。